一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法

1.本发明涉及海洋工程技术领域，具体而言，尤其涉及一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法。


背景技术：

2.圆柱形是海洋浮体结构物的典型主体形式，spar式海上平台、多数海洋监测浮标和大部分浮子式波浪能发电装置，都将圆柱形主体作为其基础结构。圆柱形主体受风/浪等环境载荷方向变化的影响较小，制造加工流程也较为成熟。
3.波浪是海洋浮体结构的主要环境载荷，因此海洋浮体结构(包括海上平台、浮标等)设计要使其主要运动自由度上的共振频率远离所在区域的波浪中心频率，以减小主要运动自由度上的运动响应，降低所受应力。而对于波浪能发电装置而言，需使其有效运动自由度的共振频率接近所在海区的波浪中心频率，以增大有效运动自由度上的运动响应，增加输出功率。可以看出，无论何种海洋结构物，其主要自由度上的共振频率都是设计中的关键指标。
4.海洋结构物建成后就会有确定的设计吃水，其质量、惯性矩、重心、排水体积和排水外形不变，因此其在主要自由度上的共振频率是确定的。但是，所在海区的波浪中心频率随时间是不断变化的，这一方面使得海上平台、浮标等浮体结构物的固有频率总有比较接近波浪中心频率的时段，引发其较大的运动响应和动力载荷；另一方面，波浪中心频率的时变性使得波浪能发电装置等的固有频率难以锁定波浪的中心频率，使其在非设计波浪频率下效率较低。
5.调整浮体结构物运动响应的一种方法是采用相控技术，需要相位补偿装置提供相当大的控制力或控制力矩，使得设备较为复杂昂贵，且相控本身就需要消耗较多能量；另一种方式是通过调整压载水的方式，改变浮体结构物的质量、惯性矩、重心、排水体积和排水外形，从而改变其固有频率，但需要抽排压载水的水泵或液压装置，设备仍比较复杂，且调频过程同样需要大动力做功耗费较多能量。
6.因此需要设计一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法。


技术实现要素：

7.根据上述提出现有的改变固有频率的方法存在功耗大的技术问题，而提供一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法。本发明主要利用通过调整压载水来控制浮体结构物的固有频率，从而调整其运动响应；仅需要控制继电器的少量控制电能，利用波浪本身做功完成变载变频的过程，因此实现控载变频不需要复杂设备和大量能量的效果。
8.本发明采用的技术手段如下：
9.一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置，其特征在于，包括：浮体、限位系统、活塞系统和电磁铁控制系统，所述浮体包括上舱室、控载舱和下舱室，所述限位系统包括向上限位器和向下限位器，所述控载舱的内壁设有条形凹槽，所述向上限位器和所述向下限位器
设置在所述条形凹槽中，所述活塞系统包括活塞和气环，所述气环设置在所述活塞的侧壁上，所述活塞设置在所述控载舱的中心处通过所述气环与所述控载舱内壁接触，所述控载舱的下端设有连通孔；所述电磁铁控制系统包括波浪能发电设备、控制模块、挡杆电磁铁系统和限位器电磁铁系统，所述波浪能发电设备与所述控制模块、挡杆电磁铁系统和所述限位器电磁铁系统之间电性连接，所述波浪能发电设备和所述控制模块设置在所述上舱室内，所述挡杆电磁铁系统设置在所述向上限位器和所述向下限位器的上下两端，所述限位电磁铁系统设置在所述向上限位器和所述向下限位器的背面。
10.进一步的，所述活塞的侧壁上设有双环槽结构，所述气环设置在所述双环槽结构内。
11.进一步的，所述向上限位器的内表面设有上端面为水平面的斜齿结构，所述向下限位器的内表面设有下端面为水平面的斜齿结构。
12.进一步的，所述挡杆电磁铁系统包括继电器、挡杆电磁铁、挡杆和挡杆弹簧，所述继电器与所述挡杆电磁铁电性连接，所述挡杆为四棱柱结构，所述挡杆的末端为斜齿状结构，所述向上限位器和所述向下限位器的上下端设有与所述挡杆相匹配的卡槽。
13.进一步的，所述向上限位器和所述向下限位器的背面设有限位器弹簧。
14.进一步的，所述限位电磁铁系统包括向下限位器的限位器电磁铁、向上限位器的限位器电磁铁和所述继电器，所述继电器与所述向下限位器的限位器电磁铁和所述向上限位器的限位器电磁铁之间电性连接，所述向下限位器的限位器电磁铁设置在所述向下限位器的背面，所述向上限位器的限位器电磁铁设置在所述向上限位器的背面。
15.本发明还提供一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置的工作方法，其特征在于，包括步骤：
16.步骤s1：当外界波浪周期性脉动压力推动所述活塞上升时，所述向下限位器的限位器电磁铁和相对应的所述挡杆电磁铁通过所述继电器通电工作，吸附所述向下限位器缩进舱室内壁，所述向下限位器到达既定位置后，所述挡杆电磁铁先行断开，所述挡杆弹簧利用弹力将所述挡杆压入所述向下限位器两端的卡槽内，所述向下限位器的限位器电磁铁断电；此时仅有两个所述向上限位器工作，所述向下限位器均缩入锁死于内壁槽内；海水通过所述联通孔将所述控载舱与外界波浪场相连，脉动压力将会推动所述活塞向上移动所述，活塞上端空气可从所述控载舱上端面孔洞流出，维持空间气压约为一个标准大气压，所述向上限位器的斜齿结构可确保所述活塞单向移动性，当所述活塞到达所需高度后，所述浮体共振频率到达既定要求，为防止所述活塞随脉动冲程下降上升，保证所述活塞长期保持所需高度，通过所述继电器对所述挡杆电磁铁通电，使所述挡杆回缩，同时所述向下限位器在所述限位器弹簧作用下弹出内壁，进一步限制所述活塞移动；
17.步骤s2：当外界波浪周期性脉动压力推动所述活塞下降时，所述向上限位器的限位器电磁铁和相对应的所述挡杆电磁铁通过所述继电器通电工作，吸附所述向上限位器缩进舱室内壁，所述向上限位器到达既定位置后，所述挡杆电磁铁先行断开，所述挡杆弹簧利用弹力将所述挡杆压入所述向上限位器两端的卡槽内，所述向上限位器的限位器电磁铁断电；此时仅有两个所述向下限位器工作，所述向上限位器均缩入锁死于内壁槽内；海水通过所述联通孔将所述控载舱与外界波浪场相连，脉动压力将会吸附所述活塞向下移动，所述向下限位器的斜齿结构可确保所述活塞单向移动性，当所述活塞到达所需高度后，所述浮
体的共振频率到达既定要求，为防止所述活塞随脉动冲程下降上升，保证所述活塞长期保持所需高度，通过所述继电器对所述挡杆电磁铁通电，使所述挡杆回缩，同时所述向上限位器在所述限位器弹簧作用下弹出内壁，进一步限制所述活塞移动。
18.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
19.1、本发明提供的一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法，通过调整压载水来控制浮体结构物的固有频率，从而调整其运动响应；仅需要控制继电器的少量控制电能，利用波浪本身做功完成变载变频的过程，因此实现控载变频不需要复杂设备和大量能量的效果。
20.2、本发明提供的一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法，由控载舱、联通孔、活塞、继电器、限位器等结构实现半自动控载调频功能，与相控、泵调、液压等方式相比，此发明无需输入较大的控制力或控制力矩，无需消耗大量的控载能量，设备构成也简单很多。
21.3、本发明提供的一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法，利用联通孔传导外部波浪引起的压载水压力脉动，使其有效冲程推动活塞向控载的目标方向单向移动，改变进入控载舱内的压载水量，从而改变浮体整体质量、惯性矩、重心、排水体积，调节浮体固有频率，保证固有频率远离或接近波浪中心频率，从而减小浮体在主要自由度上的运动响应(海上平台、浮标等)、或增大浮体在主要自由度上的运动响应(波浪能发电装置等)。
22.4、本发明提供的一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法，使用限位器斜齿结构确保活塞调载时的单向运动性，外界压力脉动通过联通孔传递实现活塞上下行，活塞与斜齿斜面接触克服限位器弹簧推力将斜齿推入内壁槽，而斜齿水平面阻碍活塞反向移动，限制回复冲程将活塞带回原位置，从而实现一个周期内活塞单向移动。使用继电器、弹簧结构将限位器限制于既定区域。
23.5、本发明提供的一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法，控载舱活塞四周使用环槽结构便于放入气环，气环使用斜切口设计，与普通活塞相比减少热胀冷缩裂纹，延长使用寿命，并将两个气环斜口反向放置，减少滑动伤痕产生，提高密封性。
24.6、本发明提供的一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法，挡杆结构，在控载舱活塞单向行程内，确保活塞与相配合方向限位器接触，反向限位器由上下挡杆限制于内壁凹槽，利用继电器控制，减少限位器电磁铁工作时间，减少控载单元能量消耗。
25.基于上述理由本发明可在海洋工程技术等领域广泛推广。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法的整体结构示意图。
28.图2为本发明一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法的装置剖析示
意图。
29.图3为本发明一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法的单元剖析示意图。
30.图4为本发明一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法的弹出状态示意图。
31.图5为本发明一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法的收回状态示意图。
32.图6为本发明一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法的继电器电路图。
33.图7为本发明一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法的控制流程图。
34.图中：1、挡杆电磁铁；2、挡杆弹簧；3、挡杆；4、限位器电磁铁；5、限位器弹簧；6、向上限位器；7、浮体外壳；8、气环；9、活塞；10、向下限位器；11、波浪能发电设备；12、继电器；13、联通孔。
具体实施方式
35.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
36.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
38.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
39.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示
和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
40.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
41.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
42.如图1-7所示，本发明提供了一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置，包括：浮体、限位系统、活塞9系统和电磁铁控制系统，所述浮体包括上舱室、控载舱和下舱室，所述限位系统包括向上限位器6和向下限位器10，所述控载舱的内壁设有条形凹槽，所述向上限位器6和所述向下限位器10设置在所述条形凹槽中，所述活塞9系统包括活塞9和气环8，所述气环8设置在所述活塞9的侧壁上，所述活塞9设置在所述控载舱的中心处通过所述气环8与所述控载舱内壁接触，所述控载舱的下端设有连通孔；所述电磁铁控制系统包括波浪能发电设备11、控制模块、挡杆电磁铁1系统和限位器电磁铁4系统，所述波浪能发电设备11与所述控制模块、挡杆电磁铁1系统和所述限位器电磁铁4系统之间电性连接，所述波浪能发电设备11和所述控制模块设置在所述上舱室内，所述挡杆电磁铁1系统设置在所述向上限位器6和所述向下限位器10的上下两端，所述限位电磁铁系统设置在所述向上限位器6和所述向下限位器10的背面；所述活塞9的侧壁上设有双环槽结构，所述气环8设置在所述双环槽结构内；所述向上限位器6的内表面设有上端面为水平面的斜齿结构，所述向下限位器10的内表面设有下端面为水平面的斜齿结构；所述挡杆电磁铁1系统包括继电器12、挡杆电磁铁1、挡杆3和挡杆弹簧2，所述继电器12与所述挡杆电磁铁1电性连接，所述挡杆3为四棱柱结构，所述挡杆3的末端为斜齿状结构，所述向上限位器6和所述向下限位器10的上下端设有与所述挡杆3相匹配的卡槽；所述向上限位器6和所述向下限位器10的背面设有限位器弹簧5；所述限位电磁铁系统包括向下限位器10的限位器电磁铁4、向上限位器6的限位器电磁铁4和所述继电器12，所述继电器12与所述向下限位器10的限位器电磁铁4和所述向上限位器6的限位器电磁铁4之间电性连接，所述向下限位器10的限位器电磁铁4设置在所述向下限位器10的背面，所述向上限位器6的限位器电磁铁4设置在所述向上限位器6的背面。
43.本发明还提供一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置的工作方法，包括步骤：
44.步骤s1：当外界波浪周期性脉动压力推动所述活塞9上升时，所述向下限位器10的限位器电磁铁4和相对应的所述挡杆电磁铁1通过所述继电器12通电工作，吸附所述向下限位器10缩进舱室内壁，所述向下限位器10到达既定位置后，所述挡杆电磁铁1先行断开，所述挡杆弹簧2利用弹力将所述挡杆3压入所述向下限位器10两端的卡槽内，所述向下限位器10的限位器电磁铁4断电；此时仅有两个所述向上限位器6工作，所述向下限位器10均缩入
锁死于内壁槽内；海水通过所述联通孔13将所述控载舱与外界波浪场相连，脉动压力将会推动所述活塞9向上移动所述，活塞9上端空气可从所述控载舱上端面孔洞流出，维持空间气压约为一个标准大气压，所述向上限位器6的斜齿结构可确保所述活塞9单向移动性，当所述活塞9到达所需高度后，所述浮体共振频率到达既定要求，为防止所述活塞9随脉动冲程下降上升，保证所述活塞9长期保持所需高度，通过所述继电器12对所述挡杆电磁铁1通电，使所述挡杆3回缩，同时所述向下限位器10在所述限位器弹簧5作用下弹出内壁，进一步限制所述活塞9移动；
45.步骤s2：当外界波浪周期性脉动压力推动所述活塞9下降时，所述向上限位器6的限位器电磁铁4和相对应的所述挡杆电磁铁1通过所述继电器12通电工作，吸附所述向上限位器6缩进舱室内壁，所述向上限位器6到达既定位置后，所述挡杆电磁铁1先行断开，所述挡杆弹簧2利用弹力将所述挡杆3压入所述向上限位器6两端的卡槽内，所述向上限位器6的限位器电磁铁4断电；此时仅有两个所述向下限位器10工作，所述向上限位器6均缩入锁死于内壁槽内；海水通过所述联通孔13将所述控载舱与外界波浪场相连，脉动压力将会吸附所述活塞9向下移动，所述向下限位器10的斜齿结构可确保所述活塞9单向移动性，当所述活塞9到达所需高度后，所述浮体的共振频率到达既定要求，为防止所述活塞9随脉动冲程下降上升，保证所述活塞9长期保持所需高度，通过所述继电器12对所述挡杆电磁铁1通电，使所述挡杆3回缩，同时所述向上限位器6在所述限位器弹簧5作用下弹出内壁，进一步限制所述活塞9移动。
46.实施例1
47.所述浮体为圆柱形结构，在水线附近向上向下拓出一定高度的舱室作为控载舱，控载舱的底部设有联通孔13与海水相联通。控载舱内设密封活塞9，活塞9初始停置于圆柱形浮体的设计水线处。活塞9密封使得水或空气不能从活塞9与控载舱内壁的间隙通过。活塞9上方为空气，可通过控载舱上端面孔洞流通，活塞9下方紧贴舱内水面。由于控载舱处的外壳直径接近于控载舱的内部直径，活塞9上移或下移引起的压载水体积变化约等于浮体水线与活塞9对齐对应的排水量变化。由浮体的浮力与重力平衡可知，浮体平衡时的水线位置始终位于活塞9的停置高度处。由此，控载舱的上下限与该浮体结构物的吃水上下限对应，控载舱底部的通孔始终在水面下。
48.活塞9四周为双环槽结构，气环8放置于活塞9环槽内，活塞9上移时向上限位器6和活塞9外侧接触挤压。限位器斜齿与活塞9下端面和活塞9凹槽卡牢，可对活塞9平衡位置进行限定，使活塞9固定于既定位置。限位器外侧限位器弹簧5与限位器电磁铁4可按照活塞9上行与下行要求，对限位器进行吸附伸缩，限位器上下方挡板进一步限制限位器弹出，确保活塞9上行或下降时配合方向限位器伸出工作，反方向限位器缩入内壁槽；圆柱形浮体控载舱底部利用联通孔13与外界水域形成联通，使得浮体外波浪运动引起的压力脉动能够部分传递至控载舱内，该压力脉动周期与外界波浪周期相同，在限位器不对活塞9实施限位的情况下，能够引起活塞9的小幅度周期性上行和下行；限位器斜齿保证活塞9单向移动性，斜齿为三棱柱结构，活塞9在压力脉动下移动与斜齿斜面接触可克服限位器弹簧5推力将斜齿推入内壁槽，限位器弹簧5推动限位器卡牢活塞9实现一次活塞9移动。当控载舱需要调整压载水体积时，可打开限位器的上行斜齿或下行斜齿，利用活塞9小幅度周期性上行和下行推动活塞9向目标方向逐渐移动，而限位器斜齿的单向性会锁住活塞9与目标方向相反的冲程，
使活塞9沿着吃水调整的目标方向单向移动，直至活塞9到达限位器设定的位置；活塞9的缓慢上行或下行将改变控载舱内的压载水位，从而改变浮体整体质量、惯性矩、重心、排水体积，调节浮体结构物的固有频率；继电器12设定的位置使圆柱形浮体的固有频率与所在海区的波浪中心频率远离(海上平台、浮标等)、或与所在海区的波浪中心频率接近(波浪能发电设备11)，从而减小浮体在主要自由度上的运动响应(海上平台、浮标等)、或增大浮体在主要自由度上的运动响应(波浪能发电装置等)；活塞9环槽结构内放置斜切口在两侧的气环8，气环8受活塞9与内壁挤压后，气环8具有的形变使其可以抵紧内壁，提高活塞9的密封性能，斜切口可以提升气环8伸缩性，提高活塞9耐用性；挡杆3结构限制限位器弹出与缩入，仅需活塞9改变上下行方向时通电切换限位器，无需限位器电磁铁4始终保持通电，大幅减少变频能量消耗。
49.实施例2
50.如图1-7所示，一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法，其浮体整体结构由多个舱室组成。本发明控载变频模块集中于控载舱，该舱室中主要由挡杆电磁铁1、挡杆弹簧2、挡杆3组成挡杆系统；由限位器电磁铁4、限位器弹簧5、向上限位器6和向下限位器10组成限位器系统，由活塞9、气环8组成活塞系统，而继电器弹簧、继电器电磁铁、继电器触点组成的控制模块继电器系统置于下舱室，供电模块波浪能发电设备置于上舱室。
51.所述的控载模块中圆柱型活塞9四周留有双环槽，并在活塞9与向上限位器6和向下限位器10斜齿接触处挖有四处方孔；两个气环8均为环形结构，并在气环8上留有斜切口，将气环8置于活塞9的环槽内，两个气环8切口呈180
°
放置，活塞方孔对准限位器斜齿。控载舱室内壁留有四处联通孔13与外界相通，联通孔呈90
°
圆周阵列。
52.所述的控载模块中限位器系统内两个向上限位器6、两个向下限位器10按照圆周阵列均匀间隔放置；向上限位器6由斜面向下的七个斜齿和首尾两处限位方体构成，向下限位器10由斜面向上的七个斜齿和首尾两处限位方体构成；向上限位器6、向下限位器10均放置于控载舱室内壁条形凹槽内。限位器弹簧5位于控载舱室内壁凹槽内。每组限位器系统有两个限位器弹簧5，共八个限位器弹簧5。限位器电磁铁4放置于控载舱室内壁内，与内侧限位器弹簧5位于同一水平线，共八个限位器电磁铁4。
53.所述的控载模块中挡杆系统所含挡杆3位于向上限位器6和向下限位器10的正上方或正下方，挡杆3为四棱柱结构，末端斜切出斜齿状，挡杆3后为挡杆弹簧2和挡杆电磁铁1，挡杆3、挡杆弹簧2和挡杆电磁铁1均置于控载舱室与上舱室间隔内壁挖槽内。将向上限位器6外侧两个限位器电磁铁4和上下端挡杆电磁铁1并联在同一个继电器12装置中，控制限位器电磁铁4开关，确保同时吸附向上限位器6和挡杆3，其他向下限位器10、向上限位器6的外侧两个限位器电磁铁4和上下端挡杆电磁铁1同理放置。
54.所述的控制模块由四个继电器12系统组成，四处继电器12系统均固定于下舱室上端面板，按照圆周阵列放置间隔90
°
，继电器12分为内部工作区域于外部工作区域，内部工作区域由继电器弹簧、继电器电磁铁、继电器触点构成，外部工作区域分别控制向上限位器6的限位器电磁铁4、向下限位器10的限位器电磁铁4、向上限位器6上下端挡杆电磁铁1、向下限位器10上下端挡杆电磁铁1。
55.所述的供电模块置于上舱室，与下舱室四个继电器12相连；浮体外壳结构7为复合材料；挡杆3、向上限位器6、向下限位器10、气环8、活塞9、向下限位器10均为防腐处理后的
合金材料；挡杆弹簧2、限位器弹簧5、继电器弹簧均为弹簧钢材料；挡板电磁铁1、限位器电磁铁4、继电器电磁铁13采用紫铜线圈与复合材料；为保证装置在实际海洋环境中拥有良好响应，应对浮体结构物进行尺寸外形、质量重心的合理设计。本发明对浮体结构物固有频率的改变应在设计时预先标定。
56.本发明的控载调频原理如下：
57.如图3所示，本发明基于浮体静力学和水动力理论，限位器单向打开时，波浪引起的周期性脉动压力自动推动活塞向目标方向单向移动，到达一个尺格后回复冲程被限位器卡住，从而使吃水线发生变化，在活塞到达位置形成新的浮力平衡，在之后的波浪冲程中继续向目标方向移动。海水通过浮体结构物控载舱的联通孔13进出，逐渐改变圆柱形浮体的质量、惯性矩、重心、排水体积，引起浮体结构物主要自由度上固有频率的变化，保证固有频率远离或接近波浪中心频率，从而减小浮体在主要自由度上的运动响应(海上平台、浮标等)、或增大浮体在主要自由度上的运动响应(波浪能发电装置等)。
58.当外界波浪周期性脉动压力推动活塞上升时，向下限位器10电磁铁4和相对应的挡杆电磁铁1通过继电器12通电工作，吸附向下限位器10缩进舱室内壁，向下限位器10到达既定位置后，挡杆电磁铁1先行断开，挡杆弹簧2利用弹力将挡杆3压入向下限位器10两端方孔内，限位器电磁铁4断电。此时仅有两个向上限位器6工作，向下限位器10均缩入锁死于内壁槽内。海水通过联通孔13将控载舱与外界波浪场相连，脉动压力将会推动活塞9向上移动，活塞上端空气可从控载舱上端面孔洞流出，维持空间气压约为一个标准大气压，向上限位器6斜齿结构可确保活塞9单向移动性，当活塞9到达所需高度后，浮体结构共振频率到达既定要求，为防止活塞9随脉动冲程下降上升，保证活塞9长期保持所需高度，通过继电器12对挡杆电磁铁1通电，使挡杆3回缩，同时向下限位器10在限位器弹簧5作用下弹出内壁，进一步限制活塞9移动。
59.当外界波浪周期性脉动压力推动活塞下降时，向上限位器6电磁铁4和相对应的挡杆电磁铁1通过继电器12通电工作，吸附向上限位器6缩进舱室内壁，向上限位器6到达既定位置后，挡杆电磁铁1先行断开，挡杆弹簧2利用弹力将挡杆3压入向上限位器6两端方孔内，限位器电磁铁4断电。此时仅有两个向下限位器10工作，向上限位器6均缩入锁死于内壁槽内。海水通过联通孔13将控载舱与外界波浪场相连，脉动压力将会吸附活塞9向下移动，向下限位器10斜齿结构可确保活塞9单向移动性，当活塞9到达所需高度后，浮体结构共振频率到达既定要求，为防止活塞9随脉动冲程下降上升，保证活塞9长期保持所需高度，通过继电器12对挡杆电磁铁1通电，使挡杆3回缩，同时向上限位器6在限位器弹簧5作用下弹出内壁，进一步限制活塞9移动。
60.如图7所示，波浪能发电设备11为所有的用电设备供电，安装在浮体外壳7的也为传感器检测当前设备的姿态将信号传输给51单片机，51单片机通过控制继电器12实现对上述各个电磁铁的控制。
61.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置，其特征在于，包括：浮体、限位系统、活塞系统和电磁铁控制系统，所述浮体包括上舱室、控载舱和下舱室，所述限位系统包括向上限位器和向下限位器，所述控载舱的内壁设有条形凹槽，所述向上限位器和所述向下限位器设置在所述条形凹槽中，所述活塞系统包括活塞和气环，所述气环设置在所述活塞的侧壁上，所述活塞设置在所述控载舱的中心处通过所述气环与所述控载舱内壁接触，所述控载舱的下端设有连通孔；所述电磁铁控制系统包括波浪能发电设备、控制模块、挡杆电磁铁系统和限位器电磁铁系统，所述波浪能发电设备与所述控制模块、挡杆电磁铁系统和所述限位器电磁铁系统之间电性连接，所述波浪能发电设备和所述控制模块设置在所述上舱室内，所述挡杆电磁铁系统设置在所述向上限位器和所述向下限位器的上下两端，所述限位电磁铁系统设置在所述向上限位器和所述向下限位器的背面。2.根据权利要求1所述的一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置，其特征在于，所述活塞的侧壁上设有双环槽结构，所述气环设置在所述双环槽结构内。3.根据权利要求2所述的一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置，其特征在于，所述向上限位器的内表面设有上端面为水平面的斜齿结构，所述向下限位器的内表面设有下端面为水平面的斜齿结构。4.根据权利要求3所述的一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置，其特征在于，所述挡杆电磁铁系统包括继电器、挡杆电磁铁、挡杆和挡杆弹簧，所述继电器与所述挡杆电磁铁电性连接，所述挡杆为四棱柱结构，所述挡杆的末端为斜齿状结构，所述向上限位器和所述向下限位器的上下端设有与所述挡杆相匹配的卡槽。5.根据权利要求4所述的一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置，其特征在于，所述向上限位器和所述向下限位器的背面设有限位器弹簧。6.根据权利要求5所述的一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置，其特征在于，所述限位电磁铁系统包括限位器电磁铁和所述继电器，所述继电器与所述限位器电磁铁之间电性连接，所述限位器电磁铁设置在所述向下限位器和所述向上限位器的背面。7.一种如权利要求1-6任意权利要求所述的一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置的工作方法，其特征在于，包括步骤：步骤s1：当外界波浪周期性脉动压力推动所述活塞上升时，所述向下限位器的限位器电磁铁和相对应的所述挡杆电磁铁通过所述继电器通电工作，吸附所述向下限位器缩进舱室内壁，所述向下限位器到达既定位置后，所述挡杆电磁铁先行断开，所述挡杆弹簧利用弹力将所述挡杆压入所述向下限位器两端的卡槽内，所述向下限位器的限位器电磁铁断电；此时仅有两个所述向上限位器工作，所述向下限位器均缩入锁死于内壁槽内；海水通过所述联通孔将所述控载舱与外界波浪场相连，脉动压力将会推动所述活塞向上移动所述，活塞上端空气可从所述控载舱上端面孔洞流出，维持空间气压约为一个标准大气压，所述向上限位器的斜齿结构可确保所述活塞单向移动性，当所述活塞到达所需高度后，所述浮体共振频率到达既定要求，为防止所述活塞随脉动冲程下降上升，保证所述活塞长期保持所需高度，通过所述继电器对所述挡杆电磁铁通电，使所述挡杆回缩，同时所述向下限位器在所述限位器弹簧作用下弹出内壁，进一步限制所述活塞移动；步骤s2：当外界波浪周期性脉动压力推动所述活塞下降时，所述向上限位器的限位器电磁铁和相对应的所述挡杆电磁铁通过所述继电器通电工作，吸附所述向上限位器缩进舱
室内壁，所述向上限位器到达既定位置后，所述挡杆电磁铁先行断开，所述挡杆弹簧利用弹力将所述挡杆压入所述向上限位器两端的卡槽内，所述向上限位器的限位器电磁铁断电；此时仅有两个所述向下限位器工作，所述向上限位器均缩入锁死于内壁槽内；海水通过所述联通孔将所述控载舱与外界波浪场相连，脉动压力将会吸附所述活塞向下移动，所述向下限位器的斜齿结构可确保所述活塞单向移动性，当所述活塞到达所需高度后，所述浮体的共振频率到达既定要求，为防止所述活塞随脉动冲程下降上升，保证所述活塞长期保持所需高度，通过所述继电器对所述挡杆电磁铁通电，使所述挡杆回缩，同时所述向上限位器在所述限位器弹簧作用下弹出内壁，进一步限制所述活塞移动。

技术总结
本发明提供的一种圆柱形浮体的半自动控载变频装置及其工作方法，包括：浮体、限位系统、活塞系统和电磁铁控制系统，限位系统包括向上限位器和向下限位器，控载舱的内壁设有条形凹槽，向上限位器和向下限位器设置在条形凹槽中，活塞系统包括活塞和气环，活塞设置在控载舱的中心处通过气环与控载舱内壁接触，控载舱的下端设有连通孔；电磁铁控制系统包括波浪能发电设备、控制模块、挡杆电磁铁系统和限位器电磁铁系统，本发明主要利用通过调整压载水来控制浮体结构物的固有频率，从而调整其运动响应；仅需要控制继电器的少量控制电能，利用波浪本身做功完成变载变频的过程，因此实现控载变频不需要复杂设备和大量能量的效果。载变频不需要复杂设备和大量能量的效果。载变频不需要复杂设备和大量能量的效果。


技术研发人员：王昊 刘畅 杜太利 朱传庆 薛庭熙
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：2022.12.12
技术公布日：2023/6/27